速度シア

速度シア（velocity shear）とは、プラズマ中の流れ速度が空間的に一様でなく、位置によって異なる（勾配をもつ）状態を指す現象である。磁場閉じ込め核融合プラズマでは、流れの代表として磁場と垂直な E×B ドリフト速度と、磁力線に沿った平行流の両方が現れ、それぞれのシアが乱流輸送とマグネトロ流体（MHD）安定性に決定的な影響を及ぼす。速度シアは単なる付随的な効果ではなく、高閉じ込めモード（Hモード）の成立を支える輸送障壁の物理的中核であり、同時に強すぎるシアはケルビン・ヘルムホルツ型の不安定を引き起こすという二面的な役割をもつ。

図はトカマク端部プラズマで測定された垂直方向流速 u⊥ の断面分布（上）と、その勾配 ∂u⊥/∂r すなわち速度シアの分布（下）を、下部混合波電流駆動（LHCD）の印加あり・なしで比較したものである。最外閉じ込め面（LCFS）近傍の狭い層でシアが正から負へと符号を変える様子、および LHCD によってシアの大きさが明瞭に増大することが読み取れる。このように速度シアは、閉じ込めを支配する乱流と直接結びついた、測定可能な物理量である。

定義と基本概念

速度シアは、流れ速度 u の空間微分 ∂u/∂r として定義される。トカマクやヘリカル装置のようなトロイダル閉じ込めプラズマでは、半径方向の電場 E_r がイオンと電子に異なるドリフトを与え、その結果生じる E×B 流が半径方向にシアをもつ。E×B 流シアは、プラズマの極方向回転として観測される流れそのものであり、そのシアの大きさは E_r の半径方向勾配で決まる。一方、中性粒子ビーム入射などによって生じるトロイダル（環方向）回転のシアは、磁力線に平行な流れのシアとして別の効果をもたらす。

速度シアが重要になる理由は、乱流渦の成長とシアによる渦の引き伸ばし・分断という競合にある。ドリフト波乱流などの不安定は、渦構造が成長して半径方向に熱や粒子を運ぶことで異常輸送を生む。しかし流れにシアがあると、渦の異なる部分が異なる速度で流され、渦は時間とともに傾いて引き伸ばされ、相関長が短くなって成長が抑えられる。この安定化機構は乱流の種類にほとんど依存しない「普遍的」なものとみなされており、端部プラズマのバイアス実験では、電場勾配の増大が乱流セルの消滅を引き起こす因果関係が直接示され、輸送低減の定量評価が理論予測とよく一致することが確認されている。乱流抑制のシア依存性のスケーリングも確立されており、ポテンシャルと密度の揺らぎ間の位相差（クロスフェーズ）が輸送低減の鍵となる要素であることが示されている。実際、シア層を挟んで電場・温度・密度揺らぎが同時に低減し、異常伝導熱流と対流熱流の両方が下がることで、エネルギー輸送障壁が直接測定される。

E×Bシアによる乱流抑制と輸送障壁

E×B 速度シアによる乱流抑制は、輸送障壁形成の最も広く受け入れられた説明である。輸送障壁とは、乱流による熱・粒子輸送が局所的に強く低減され、圧力や密度の勾配が急峻になる領域である。シアが乱流を抑えると輸送が減り、そこに勾配が蓄積する。勾配が蓄積すると自由エネルギーが増えて乱流が再び成長しようとするため、系はシアの強さと乱流駆動のバランスで決まる状態に落ち着く。この自己組織化的な制御が、閉じ込め改善の本質である。

輸送障壁は端部だけでなくプラズマ中心部にも形成されうる。DIII-D トカマクでの研究は、速度シアと磁気シア（磁場のせん断、すなわち磁力線のピッチ角の半径方向変化）が協同して中心部輸送障壁の形成に関与することを示した。磁気シアが乱流の半径方向の歩みをすでに制限している領域では、比較的弱い E×B シアでも乱流を閾値以下に抑えられるため、両者の重畳が障壁形成を容易にする。また、イオン温度勾配駆動モード（η_i モード）に対する垂直方向速度シアの効果や、イオン温度異方性がある場合の磁気シアとの複合効果など、個別の乱流モードに対するシア安定化の理論解析が幅広く行われており、シア安定化が特定の乱流に固有でないことが裏付けられている。

流れシアを外部から制御する手段も実用上重要である。端部プラズマへの電極バイアスは E_r を直接操作する最も直接的な方法で、複数のトカマク（TEXTOR、CASTOR、T-10、ISTTOK）やリバースドフィールドピンチ（RFX）で、バイアスによる E×B シア増大とそれに伴う乱流粒子フラックスの低減、閉じ込め改善が示されてきた。RFX では、ポテンシャルと密度揺らぎの相対位相の変化によって乱流駆動粒子フラックスが主に低減されることが示され、シア安定化の位相機構を実証している。また、電磁波を用いた流れ駆動も有望であり、下部混合波電流駆動（LHCD）は端部の速度シアを変化させ、乱流レベルを下げる効果をもつことが報告されている。

L–H遷移における速度シア

低閉じ込めモード（Lモード）から高閉じ込めモード（Hモード）への遷移は、加熱出力が閾値を超えたときに端部に輸送障壁（ペデスタル）が形成される現象であり、その機構として E×B 流シアによる乱流抑制が最有力とされている。遷移の駆動源となる E_r は、端部でのイオン圧力勾配、乱流によるレイノルズ応力、中性粒子や軌道損失など複数の機構で生成されると考えられている。遷移の直前・直後には、乱流から非線形エネルギー授受によって生成される帯状流（ゾーナルフロー）がシアを一時的に強め、これが平均流シアの発達を促すという「捕食者・被食者」モデルが提唱され、多くの装置で実験的に支持されている。

遷移には臨界のシア強度が存在する。HL-2A トカマクでの統計的解析では、L–H 遷移を引き起こす臨界速度シアが見出され、その閾値はプラズマ密度や総加熱出力に依存しないことが示された。これは、遷移の成否がシアそのものによって決まることを意味し、イオン反磁性方向のシア流が遷移の引き金を握るという観測と整合する。一方 DIII-D では、端部密度揺らぎの群速度のシアが測定され、イオン ∇B ドリフトと X 点位置の相対関係を反転させたときに観測される H モード閾値出力の約 2 倍の変化が、シアの違いで少なくとも部分的に説明されることが示された。密度・温度分布がほぼ同じままシアだけが変わるため、閾値変化の起源はプロファイルではなく流れにあると結論される。

図は L–H 遷移に至る時間発展を、D_α 光強度（上）と、端部の外側・内側シア層それぞれでの速度シア（赤）と乱流強度（青）の推移（中・下）で示したものである。外側シア層ではシアの増大に先立って乱流強度が一度増加した後に低下し、内側シア層ではシアの上昇と乱流の抑制が対応して進行する様子が見て取れる。このような乱流強度とシアの逆位相の変動は、帯状流を介した乱流・流れの相互作用、すなわち捕食者・被食者ダイナミクスの直接的な証拠とされる。

シア駆動不安定（ケルビン・ヘルムホルツ型および平行流シアモード）

速度シアは乱流を抑えるだけでなく、逆に乱流を駆動することもある。流れのシアは運動エネルギーの供給源であり、シアが十分に強いとき、界面での速度差を自由エネルギーとするケルビン・ヘルムホルツ不安定が成長する。磁化プラズマでは、この不安定は E×B 流の垂直シアからも、磁力線に平行な流れのシア（平行速度シア）からも生じる。平行速度シア不安定は、強いトロイダル回転をもつトカマク、とりわけ一方向中性粒子ビーム入射で高速回転する球状トカマクで特に重要であり、平衡に回転を含めた数値シミュレーションは、回転シアが臨界値を超えないよう一方向ビーム入射の上限が存在しうることを示唆している。また、平行電子流のシアが駆動する不安定や、平行流シア乱流による不純物輸送への寄与も理論・実験の両面から研究されており、シア駆動乱流が粒子輸送に実質的な役割を果たしうることが示されている。

シアの安定化作用と不安定化作用の競合は、磁化プラズマの様々なモードに現れる。交換不安定（レイリー・テイラー型）やインターチェンジモードは、有限ラーモア半径効果と組み合わさった速度シアによって安定化されることが示されており、細長い断面形状のプラズマでも同様のシア安定化が働く。これらの結果は、速度シアが乱流の種類に応じて抑制と励起の両方の役割を果たしうることを意味し、シアの強さと向き、および対象モードの性質によって効果が決まる。

せん断回転のMHD安定性への効果

強い流れシアは、流体的な（MHD的な）モードの安定性にも影響する。理論的には、E×B 速度のシア dV_E/dr がアルフヴェン速度をスケールとする臨界値 V_A/qR（V_A はアルフヴェン速度、q は安全係数、R は装置の大半径）を磁気シア S が有限の条件下で超えると、電磁的な不安定が駆動されうる。この閾値は、JET でのシア最適化放電において観測された一部の電磁擾乱の閾値と同程度であり、シアが強すぎる運転領域では新たな不安定が現れうることを示している。一方で、回転とそのシアは引き裂きモード（テアリングモード）の安定性にも影響を与え、共鳴面近傍の流れがモードの成長を抑制する方向に働くことが知られている。このように、せん断回転は閉じ込め改善の資源であると同時に、MHD 安定性の制約を通じて運転領域を画定する要因でもあり、その最適化は将来装置の設計における重要な課題である。